CN102197568B - 非接触电力传输装置及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备交流电源、共振系统和负载的非接触电力传输装置。所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈。在将所述共振系统的输入阻抗和所述交流电源的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，所述交流电源的交流电压的频率被设定在所述输入阻抗为极大的第1频率、和比所述第1频率高且输入阻抗为极小的第2频率之间。

Description

非接触电力传输装置及其设计方法
技术领域
本发明涉及非接触电力传输装置及其设计方法。
背景技术
图6表示了非接触电力传输装置的概要，该非接触电力传输装置利用电磁场的共振从第1铜线线圈51向与该第1铜线线圈51分离配置的第2铜线线圈52传输电力。这样的装置例如在非专利文献1以及专利文献1中被公开。在图6中，将由与交流电源53连接的初级线圈54产生的磁场利用由第1以及第2铜线线圈51、52产生的磁场共振增强，并通过在第2铜线线圈52附近被增强的磁场的电磁感应作用向负载56供给在次级线圈55中产生的电力。确认了在将半径为30cm的第1以及第2铜线线圈51、52相互分离2m进行配置的情况下，能将作为负载56的60W电灯点亮。
专利文献1：国际公开专利WO/2007/008646A2
非专利文献1：NIKKEI ELECTRONICS 2007.12.3117页～128页
但是，在非专利文献1中没有清楚地记载当设计以及制造该非接触电力传输装置时所必要的发送侧(供电侧)的第1铜线线圈51以及接收侧(受电侧)的第2铜线线圈52的共振频率、和交流电源53的输出电压的频率的关系。特别是，没有公开对用于高效率地传输电力的交流电源53的输出电压的频率进行确定的方法。因此，为了确定交流电源53的输出电压的最合适的频率，必须在宽范围研究交流电源53的输出电压的频率和电力传输效率的关系，存在耗费工夫的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种设计以及制造都容易的非接触电力传输装置及其设计方法。
为了实现上述目的，根据本发明的第1方式，公开了具备交流电源、共振系统和负载的非接触电力传输装置。所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈。在将所述共振系统的输入阻抗和所述交流电源的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，所述交流电源的交流电压的频率被设定在所述输入阻抗为极大的第1频率、和比所述第1频率高且输入阻抗为极小的第2频率之间。
根据本发明的第2方式，公开了具备交流电源、共振系统和负载的非接触电力传输装置。所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈。所述交流电源的交流电压的频率被设定在所述共振系统的输入阻抗随着所述交流电压的频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内。
根据本发明的第3方式，公开了具备交流电源、共振系统和负载的非接触电力传输装置的设计方法。所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈。所述方法具备下述步骤：在将所述共振系统的输入阻抗和所述交流电源的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，在所述输入阻抗为极大的第1频率、和比所述第1频率高且输入阻抗为极小的第2频率之间，设定所述交流电源的交流电压的频率。
根据本发明的第4方式，公开了具备交流电源、共振系统和负载的非接触电力传输装置的设计方法。所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈。所述方法具备将所述交流电源的交流电压频率设定在所述共振系统的输入阻抗随着所述交流电压的频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内的步骤。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式涉及的非接触电力传输装置的概略构成图。
图2是表示在初级线圈的圈数为1圈的情况下，初级线圈的阻抗、共振系统的输入阻抗以及电力传输效率、与交流电源的交流电压的频率的关系的曲线图。
图3是表示在初级线圈的圈数为2圈的情况下，初级线圈的阻抗、共振系统的输入阻抗以及电力传输效率、与交流电源的交流电压的频率的关系的曲线图。
图4是表示在初级线圈的圈数为4圈的情况下，初级线圈的阻抗、共振系统的输入阻抗以及电力传输效率、与交流电源的交流电压的频率的关系的曲线图。
图5是表示构成共振系统的初级侧共振线圈以及次级侧共振线圈的其它例子的示意图。
图6是以往的非接触电力传输装置的概略构成图。
具体实施方式
以下，按照图1～图4对本发明的非接触电力传输装置10的一个实施方式进行说明。
如图1所示，非接触电力传输装置10具备向负载17非接触地传输由交流电源11供给的电力的共振系统12。共振系统12具有：与交流电源11连接的初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15和次级线圈16。次级线圈16与负载17连接。交流电源11向初级线圈13供给交流电压。该交流电源11也可以是将从直流电源输入的直流电压变换成交流电压并向初级线圈13供给的电源装置。
非接触电力传输装置10通过从交流电源11向初级线圈13施加交流电压，使初级线圈13产生磁场。非接触电力传输装置10利用由初级侧共振线圈14和次级侧共振线圈15产生的磁场共振来增强在初级线圈13中产生的磁场，并通过次级侧共振线圈15附近的被增强的磁场的电磁感应作用，使次级线圈16产生电力，并向负载17供给该电力。
初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16由电线形成。各线圈13、14、15、16的直径和圈数按照应该传输的电力的大小等被适宜地设定。在该实施方式中，初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16形成为相同的直径。
交流电源11输出的交流电压的频率能够自由地变化。因此，对共振系统12施加的交流电压的频率能够自由地变化。
下面，对所述非接触电力传输装置10的设计方法进行说明。
首先，对构成共振系统12的初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的规格进行设定。作为规格，例如除了构成初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的电线的材质之外，还有电线的粗细、线圈的直径、圈数和两共振线圈14、15间的距离等用于制作以及设置两共振线圈14、15所必要的值。下面，设定初级线圈13以及次级线圈16的规格。作为规格，除了构成两线圈13、16的电线的材质之外，还有电线的粗细、线圈的直径、圈数。通常使用铜线作为电线。
下面，按照设定的规格形成初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16，来构建共振系统12。然后，在次级线圈16上连接负载17。随后，一边改变对初级线圈13施加的交流电源11的交流电压的频率，一边测量该共振系统12的输入阻抗Zin。这里，共振系统12的输入阻抗Zin是在初级线圈13的两端测量到的共振系统12整体的阻抗，与在次级线圈16上是否连接有负载17无关。然后，基于该测量结果，生成以输入阻抗Zin为纵轴、以交流电源11的交流电压的频率为横轴的曲线图。在共振系统12的输入阻抗Zin为极大的频率(第1频率)和比该频率高且输入阻抗Zin为极小的频率(第2频率)之间，设定交流电源11的交流电压的频率。如图2所示，在根据共振系统12生成了以输入阻抗Zin为纵轴、以交流电源11的交流电压的频率为横轴的曲线图时，存在输入阻抗Zin的极大点以及极小点各自出现2个位置的情况。在这样的情况下，在与2个极大点中输入阻抗Zin较大的极大点、即图2中的极大点Pmax和2个极小点中输入阻抗Zin较小的极小点之间、即图2中的极小点Pmin之间对应的频率范围内，设定交流电源11的交流电压的频率。另外，根据共振系统12，还存在相同大小的输入阻抗Zin的极大点以及极小点的组出现多组的情况。例如，存在图2中的极大点Pmax以及极小点Pmin的组出现多组的情况。在这样的情况下，在与最低频率范围内出现的极大点Pmax以及极小点Pmin的组相对应的频率范围内，设定交流电源11的交流电压的频率。
下面，在如上述那样设定了交流电源11的交流电压的频率的状态下，使共振系统12的输入阻抗Zin与交流电源11的输出阻抗相匹配。在共振系统12的输入阻抗Zin和交流电源11的输出阻抗不能取得匹配的情况下，在初级线圈13和交流电源11之间加入匹配器来使其匹配。
共振系统12的输入阻抗和交流电源11的输出阻抗相匹配是指：最优选使两阻抗完全一致。但是，只要在达到作为非接触电力传输装置所希望的性能(电力传输效率)的范围内，例如共振系统12的输入阻抗和交流电源11的输出阻抗之差相对共振系统12的输入阻抗在±10％的范围内，优选在±5％的范围内即可。
在该实施方式中，作为构成共振系统12的各线圈13、14、15和16的电线，使用了尺寸(截面积)为0.5sq(平方毫米)的汽车用薄壁乙烯绝缘低压电线(AVS线)。而且，按以下的规格形成了初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16。
初级线圈13以及次级线圈16：圈数...2圈，径...直径150mm，密绕(closely wound)
两共振线圈14、15：圈数...45圈，径...直径150mm，密绕，圈线的两端开放
初级侧共振线圈14和次级侧共振线圈15之间的距离：200mm
然后，将50Ω电阻连接在次级线圈16上作为负载17，从交流电源11向初级线圈13供给10Vpp(振幅5V)、频率1MHz～7MHz的正弦交流电压作为输入电压。然后，测量初级线圈13的阻抗Z1、共振系统12的输入阻抗Zin以及电力传输效率η。另外，为了研究初级线圈13的阻抗Z1对共振系统12的输入阻抗Zin以及电力传输效率η的影响，对不改变初级线圈13以外的线圈的规格，而将初级线圈13的圈数变为1圈以及4圈的共振系统12也以相同的条件进行了相同测量。测量结果表示在图2、图3以及图4的曲线图中。在图2～图4中，以横轴表示交流电源11的交流电压的频率，以纵轴表示输入阻抗Zin、初级线圈13的阻抗Z1以及电力传输效率η。在图2～图4中，将电力传输效率η简单表示为效率η。共振系统12的输入阻抗Zin的极大点用Pmax表示，极小点用Pmin表示。电力传输效率η表示负载17中的消耗电力相对于向初级线圈13输入的电力的比率，在用％表示的情况下，可如下述那样求得。
电力传输效率η＝(负载17中的消耗电力)/(向初级线圈13输入的电力)×100[％]
图2～图4启示了下面的内容。
1.初级线圈13的阻抗Z1与初级线圈13的圈数无关，随着交流电源11的交流电压的频率从1MHz增加到7MHz而单调增加。阻抗Z1的增加率在频率低的情况下较大。
2.初级线圈13的阻抗Z1在交流电源11的交流电压的频率相同的情况下，随着初级线圈13的圈数增加而变大。另外，与初级线圈13的圈数增加为2倍时相比，在增加为4倍时，阻抗Z1相对于交流电源11的交流电压的频率的增加率较大。
3.电力传输效率η与初级线圈13的圈数无关，以几乎相同的频率为最大。这里，将电力传输效率η为最大的频率定义为该共振系统12的共振频率。
4.在交流电源11的交流电压的频率为2MHz以下以及6MHz以上的范围，共振系统12的输入阻抗Zin以与初级线圈13的阻抗几乎一致的方式变化，在共振频率附近，按顺序产生并联共振以及串联共振，由此，输入阻抗Zin以生成极大点Pmax以及极小点Pmin的方式变化。
5.共振系统12的输入阻抗Zin产生极大点Pmax以及极小点Pmin时的频率与初级线圈13的阻抗Z1无关，是一定的。
6.共振频率存在于共振系统12的输入阻抗Zin产生极大点Pmax时的频率、和比该频率高且共振系统12的输入阻抗Zin产生极小点Pmin时的频率之间。若在与极大点Pmax对应的频率和比该频率高且与极小点Pmin对应的频率之间设定交流电源11的交流电压的频率，则能够提高电力传输效率η。
7.若将交流电源11的交流电压的频率设定为在与共振系统12的输入阻抗Zin的极大点Pmax对应的频率、和比该频率高且与输入阻抗Zin的极小点Pmin对应的频率之间，并且输入阻抗Zin和初级线圈13的阻抗Z1相等的频率，则电力传输效率η变为最高。即，该频率是共振频率。
8.也可以说共振频率存在于共振系统12的输入阻抗Zin随着频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内。若在共振系统12的输入阻抗Zin随着频率的增加而减少的范围内设定交流电源11的交流电压的频率，则能够提高电力传输效率η。
9.在共振系统12的输入阻抗Zin随着频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内，且输入阻抗Zin和初级线圈13的阻抗Z1相等的频率下，电力传输效率η变为最高。即，该频率成为共振频率。
本实施方式具有以下的优点。
(1)非接触电力传输装置10具备交流电源11、共振系统12和负载17。共振系统12具有：与交流电源11连接的初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15和与负载17连接的次级线圈16。在将共振系统12的输入阻抗Zin和交流电源11的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，在与输入阻抗Zin的极大点Pmax对应的频率(第1频率)、和比该频率高且与输入阻抗Zin的极小点Pmin对应的频率(第2频率)之间的范围，设定交流电源11的交流电压的频率。因此，只通过测量共振系统12的输入阻抗Zin，就能够将为了提高电力传输效率η而应该设定的交流电源11的交流电压的频率的范围限定在输入阻抗Zin为极大的频率和比该频率高且输入阻抗Zin为极小的频率之间。因此，能够容易地设计非接触电力传输装置10。
(2)在将共振系统12的输入阻抗Zin和交流电源11的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，交流电源11的交流电压的频率被设定成输入阻抗Zin为极大的频率和比该频率高且输入阻抗Zin为极小的频率之间的频率，并且输入阻抗Zin和初级线圈13的阻抗Z1相等的频率。因此，能够容易地设计非接触电力传输装置10。特别是在对初级线圈施加了具有被设定为这样的值的频率的交流电压的情况下，共振系统12的电力传输效率η为最大。
(3)初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16被形成为相同直径。因此，通过将初级线圈13以及初级侧共振线圈14卷成一个筒，能够容易地制作发送侧(供电侧)的两线圈13、14，并且，通过将次级侧共振线圈15以及次级线圈16卷成一个筒，能够容易地制作接收侧(受电侧)的两线圈15、16。另外，通过使初级侧共振线圈14和次级侧共振线圈15的圈数等设计参数相同，能够简单地使两者的共振频率相同。
(4)非接触电力传输装置10具备交流电源11、共振系统12和负载17。共振系统12具有：与交流电源11连接的初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15和与负载17连接的次级线圈16。在共振系统12的输入阻抗Zin随着交流电源11的交流电压的频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内，设定交流电源11的交流电压的频率。因此，只通过测量共振系统12的输入阻抗Zin，便能够将为了提高电力传输效率η而应该设定的交流电源11的交流电压的频率的范围限定在共振系统12的输入阻抗Zin随着频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内。因此，能够容易地设计非接触电力传输装置10。
(5)将交流电源11的交流电压的频率设定为在共振系统12的输入阻抗Zin随着交流电源11的交流电压的频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内，且共振系统12的输入阻抗Zin和初级线圈13的阻抗Z1成为相同值的频率。因此，能够容易地设计非接触电力传输装置10。特别是在对初级线圈施加了具有被设定为这样的值的频率的交流电压的情况下，共振系统12的电力传输效率η为最大。
(6)设定初级线圈13的阻抗Z1，以便使共振系统12的输入阻抗Zin和交流电源11的输出阻抗以设定的频率相匹配。因此，能够从交流电源11向非接触电力传输装置10高效率地供给电力。另外，在使共振系统12的输入阻抗Zin和交流电源11的输出阻抗相匹配时，可以只测量初级线圈13的阻抗Z1来代替共振系统12的输入阻抗Zin。因此，能够容易地使两阻抗Zin和Z1匹配。
(7)在将共振系统12的输入阻抗Zin和交流电源11的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，所述非接触电力传输装置10的设计方法在输入阻抗Zin为极大的频率(第1频率)、和比输入阻抗Zin为极大的频率高且输入阻抗Zin为极小的频率(第2频率)之间设定交流电源11的交流电压的频率。因此，只通过测量共振系统12的输入阻抗Zin，便能够将为了提高电力传输效率η而应该设定的交流电源11的交流电压的频率的范围，限定在共振系统12的输入阻抗Zin为极大的频率(第1频率)和比该频率高且输入阻抗Zin为极小的频率(第2频率)之间。因此，能够容易地设计非接触电力传输装置10。
本发明并不被限定为上述实施方式，例如，也可以如下述那样进行具体化。
在缠绕电线来形成线圈13、14、15和16时，各线圈13、14、15和16的形状不限于圆筒形状。例如，也可以为三角筒形状、方筒形状、六角筒形状等多边筒形状或椭圆筒形状等单纯形状的筒形状，或者为具有非对称图形形状的断面的筒形状。
初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15不限于电线被缠绕成筒状的线圈，例如也可以如图5所示，具有电线在一个平面上被缠绕的形状。
线圈13、14、15和16可以分别是电线被紧密地缠绕且相邻的缠绕部分相接触的构成，也可以是空开缠绕部分的间隔来缠绕电线，以使缠绕部分不接触的构成。
初级线圈13、初级侧共振线圈14、次级侧共振线圈15以及次级线圈16没有必要全部形成为相同的直径。例如，也可以使初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15为相同的直径，初级线圈13以及次级线圈16为彼此不同的直径，或者两共振线圈14、15为彼此不同的直径。
构成线圈13、14、15和16的电线不限于绝缘乙烯被覆线，也可以使用漆包线或者在缠绕裸线后浇注树脂。
非接触电力传输装置10的设计方法不限于在设定了构成共振系统12的初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的规格后，设定交流电源11的规格，再设定初级线圈13的阻抗Z1以使该交流电源11的输出阻抗和共振系统12的输入阻抗Zin相匹配的方法。例如，也可以首先设定交流电源11的规格，再配合该规格对构成共振系统12的初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的规格以及初级线圈13的阻抗Z1进行设定。在设定共振系统12的规格之前设定交流电源11的规格是指：在设定共振系统12的规格时，以共振频率被确定的状态来设定构成初级侧共振线圈14以及次级侧共振线圈15的电线的材质、电线的粗细、线圈的直径、圈数以及两共振线圈14、15之间的距离等值。
符号的说明
Pmax...极大点，Pmin...极小点，10...非接触电力传输装置，11...交流电源，12...共振系统，13...初级线圈，14...初级侧共振线圈，15...次级侧共振线圈，16...次级线圈，17...负载。

Claims (14)

1.一种非接触电力传输装置，具备交流电源、共振系统和负载，所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈，该非接触电力传输装置的特征在于，
在将所述共振系统的输入阻抗和所述交流电源的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，所述交流电源的交流电压的频率被设定为所述输入阻抗为极大的第1频率以上，并且小于比所述第1频率高且输入阻抗为极小的第2频率的频率。
2.根据权利要求1所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
所述输入阻抗的极大点以及极小点各自出现2个位置的情况下，
将所述2个极大点中所述输入阻抗较大的极大点的频率设定为第1频率，
将所述2个极小点中输入阻抗较小的极小点的频率设定为第2频率。
3.根据权利要求1或2所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
所述第1频率和第2频率的组出现多组的情况下，
在与最低频率范围内出现的所述第1频率和所述第2频率的组相对应的频率范围内，设定所述交流电源的交流电压的频率。
4.根据权利要求1或2所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
所述交流电源的交流电压的频率被设定为在所述第1频率和所述第2频率之间，且所述输入阻抗和所述初级线圈的阻抗相等的频率。
5.根据权利要求1或2所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
所述初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈以及次级线圈被形成为相同直径。
6.一种非接触电力传输装置，具备交流电源、共振系统和负载，所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈，该非接触电力传输装置的特征在于，
所述交流电源的交流电压的频率被设定在所述共振系统的输入阻抗随着所述交流电压的频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内。
7.根据权利要求6所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
所述交流电源的交流电压的频率被设定为在所述输入阻抗减少范围内，且所述输入阻抗和所述初级线圈的阻抗相等的频率。
8.根据权利要求6所述的非接触电力传输装置，其特征在于，
所述初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈以及次级线圈形成为相同直径。
9.一种非接触电力传输装置的设计方法，所述非接触电力传输装置具备交流电源、共振系统和负载，所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈，该非接触电力传输装置的设计方法的特征在于，
在将所述共振系统的输入阻抗和所述交流电源的交流电压的频率的关系制成曲线图的情况下，所述交流电源的交流电压的频率被设定为所述输入阻抗为极大的第1频率以上，并且小于比所述第1频率高且输入阻抗为极小的第2频率的频率。
10.根据权利要求9所述的非接触电力传输装置的设计方法，其特征在于，
所述输入阻抗的极大点以及极小点各自出现2个位置的情况下，
将所述2个极大点中所述输入阻抗较大的极大点的频率设定为第1频率，
将所述2个极小点中输入阻抗较小的极小点的频率设定为第2频率。
11.根据权利要求9或10所述的非接触电力传输装置的设计方法，其特征在于，
所述第1频率和第2频率的组出现多组的情况下，
在与最低频率范围内出现的所述第1频率和所述第2频率的组相对应的频率范围内，设定所述交流电源的交流电压的频率。
12.根据权利要求9或10所述的非接触电力传输装置的设计方法，其特征在于，
将所述交流电源的交流电压的频率设定为在所述第1频率和所述第2频率之间，且所述输入阻抗和所述初级线圈的阻抗相等的频率。
13.一种非接触电力传输装置的设计方法，所述非接触电力传输装置具备交流电源、共振系统和负载，所述共振系统具有：与所述交流电源连接的初级线圈、初级侧共振线圈、次级侧共振线圈和与所述负载连接的次级线圈，该非接触电力传输装置的设计方法的特征在于，
将所述交流电源的交流电压的频率设定在所述共振系统的输入阻抗随着所述交流电压的频率的增加而减少的输入阻抗减少范围内。
14.根据权利要求13所述的非接触电力传输装置的设计方法，其特征在于，
将所述交流电源的交流电压的频率设定为在所述输入阻抗减少范围内，且所述输入阻抗和所述初级线圈的阻抗相等的频率。
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